Física Mecânica no Enem - dicas para a prova

A Mecânica é o tema de Física que mais caiu no Enem entre 2009 e 2016. Nesse período, mais de 30% de todas as questões de Física do Enem abordaram esse assunto. A Mecânica é um grande ramo da Física que compreende o estudo do movimento e repouso dos corpos e pode ser dividida em três áreas menores:

Cinemática: É o estudo dos movimentos sem preocupação com as causas que geraram o movimento. Nessa área, estudamos as funções horárias da posição, os gráficos de velocidade e tempo, ultrapassagens, travessias, aceleração, velocidades médias etc.
Dinâmica: É o estudo do movimento que leva em conta as suas causas, ou seja, é o estudo das forças, Leis de Newton, Gravitação Universal, energia mecânica etc.;
Estática: Compreende o estudo dos corpos em situações de equilíbrio. Abrange o estudo do equilíbrio de corpos extensos e a hidrostática, que é o estudo dos fluidos em repouso.

Veja também: Dez equações essenciais de Física para o Enem

Neste artigo vamos apresentar um resumo sobre os principais conceitos de Cinemática, Dinâmica e Estática que costumam cair na prova de Física do Enem.

Tópicos deste artigo

1 - Cinemática
2 - → Velocidade média:
3 - → Aceleração média:
4 - → Função horária da posição do MUV
5 - → Aceleração centrípeta:
6 - Dinâmica
7 - Teorema do impulso e da quantidade de movimento
8 - Energia Mecânica, Cinética e Potencial
9 - Conservação da energia mecânica:
10 - Estática
11 - Condições de equilíbrio:
12 - Torque ou momento de uma força:

Cinemática

Confira alguns dos conceitos mais importantes de Cinemática para o Enem:

→ Velocidade média:

A velocidade é uma grandeza vetorial. Trata-se da razão entre o deslocamento de um corpo e o intervalo de tempo. A grandeza utilizada para velocidade média no Sistema Internacional de Unidades é o metro por segundo (m/s). É comum vermos essa grandeza escrita em km/h. Para fazer a conversão entre uma e outra, basta usar a seguinte regra:

De m/s para km/ h – multiplicamos por 3,6

De km/h para m/s – dividimos por 3,6

A fórmula usada para calcular a velocidade média é a seguinte:

Legenda:
ΔS = S_f – S₀ = Deslocamento (m)
S_f = Posição final (m)
S₀= Posição inicial (m)

Δt = t_f – t₀ = Intervalo de tempo (s)
t_f =Instante final (s)
t₀ = Instante inicial (s)

Dizemos que, se a velocidade de um móvel é positiva, ele se afasta do referencial adotado e, portanto, o movimento é progressivo. Quando a velocidade é negativa, o móvel está aproximando-se do referencial, e o movimento é regressivo.

Veja também: Movimento progressivo e movimento retrógrado

→ Aceleração média:

Aceleração é uma grandeza vetorial que mede a variação de velocidade de um corpo em determinado intervalo de tempo. Quando um corpo aumenta de velocidade, sua aceleração é positiva e o seu movimento é acelerado. Quando a velocidade do corpo diminui, dizemos que seu movimento é retardado. A unidade mais comum para aceleração é o m/s². Quando a aceleração à qual um corpo é submetido é constante, dizemos que o corpo encontra-se em movimento retilíneo uniformemente variado. A fórmula usada para calcular a aceleração é esta:

Legenda:
Δv = vf – v0 = Variação da velocidade (m/s)
vf = Velocidade final (m/s)
v0 = Velocidade inicial (m/s)

Δt = tf – t0 = Intervalo de tempo (s)
tf =Instante final (s)
t0 = Instante inicial (s)

Veja também: Movimento uniformemente variado

→ Função horária da posição do MUV

Para calcular a posição final, inicial ou a distância percorrida no MUV, podemos usar o gráfico de v_xt, uma vez que a distância percorrida (ΔS) sempre corresponde à área desse gráfico. Podemos usar também a função horária da posição:

Legenda:
S_f = Posição final (m)
S₀= Posição inicial (m)
v₀= Velocidade inicial (m/s)
t = Intervalo de tempo (s)
A = aceleração média (m/s²)

A área do gráfico acima (trapézio) pode ser calculada pela fórmula a seguir:

Veja também: Exercícios sobre Movimento Uniformemente Variado

→ Aceleração centrípeta:

Permite que um corpo possa fazer uma curva. Essa aceleração é sempre perpendicular à velocidade do corpo e aponta para o centro da curva. Para calcular a aceleração centrípeta, usamos a seguinte equação:

Legenda:
A_c = aceleração centrípeta (m/s²)
v = velocidade (m/s);
R = raio da curva (m)

Dinâmica

Confira alguns conceitos importantes da Dinâmica e as suas definições para se preparar bem para o Enem.

Força: é um agente físico que pode alterar o estado de movimento de um corpo ou ainda deformá-lo. Para entendermos o conceito de força, é importante falarmos das três Leis de Newton:

1ª Lei de Newton (Lei da Inércia): Se a força resultante sobre um corpo for igual a zero, ele pode estar em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Confira o esquema a seguir:

Veja também: Exercícios sobre a 1ª Lei de Newton

2ª Lei de Newton (Princípio fundamental da Dinâmica): A força resultante sobre um corpo é igual ao produto de sua massa por sua aceleração. Além disso, a aceleração adquirida pelo corpo tem a mesma direção e o mesmo sentido que a força resultante sobre ele e é inversamente proporcional à massa do corpo. Confira o esquema a seguir:

Legenda:
F_r = Força resultante (N)
m = massa (kg)
a = aceleração (m/s²)

Caso queira mais detalhes sobre como calculamos a força resultante, acesse este link.

Veja também: Cinco coisas que você precisa saber sobre as leis de Newton

3ª Lei de Newton (Lei da Ação e Reação): Quando aplicamos uma força em algum corpo, recebemos desse corpo a mesma força, na mesma direção, mas com sentido oposto. Essas duas forças chamam-se par de ação e reação. Na figura a seguir, temos um martelo que faz força sobre um prego. Independentemente de suas massas, a ação e reação neles têm o mesmo módulo, mesma direção e sentidos opostos.

Teorema do impulso e da quantidade de movimento

O T eorema do I mpulso está ligado diretamente à 2ª Lei de Newton. Esse teorema diz que:

O impulso aplicado sobre um corpo é igual à força aplicada sobre ele (considerada constante), multiplicada pelo intervalo de tempo que essa força age sobre o corpo.

Observe a equação:

Legenda:
I = Impulso (kg.m/s ou N.s)
F = Força aplicada (N)
Δt = Intervalo de tempo (s)

O impulso aplicado sobre um corpo é responsável pela mudança na quantidade de movimento desse corpo. Observe a definição em forma de equação:

Legenda:
I = Impulso (kg.m/s) ou (N.s)
ΔQ = Q_f – Q₀: Variação da quantidade de movimento (kg.m/s)
Q_f= Quantidade de movimento final (kg.m/s)
Q₀= Quantidade de movimento inicial (kg.m/s)
v_f = velocidade final (m/s)
v_i = velocidade inicial (m/s)
m = massa (kg)

Independentemente da forma utilizada, a definição de impulso é a mesma e a sua unidade é dada em kg.m/s ou N.s. Essas unidades são equivalentes entre si.

Energia Mecânica, Cinética e Potencial

A energia mecânica de um corpo é definida pela soma de sua energia cinética com a energia potencial. Sua unidade no SI é o Joule. A energia cinética, por sua vez, está relacionada ao movimento do corpo. A energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada de alguma forma, como as energias potencial gravitacional e a energia potencial elástica.

Energia mecânica: é a soma da energia cinética com a energia potencial de um corpo.

Legenda:
E_m = Energia mecânica (J)
E_c = Energia cinética (J)
E_p = Energia potencial (J)

Energia cinética: é a porção da energia mecânica relacionada à massa e à velocidade do corpo. É definida pela fórmula a seguir:

Legenda:
E_c = energia cinética (J)
m = massa (kg)
v = velocidade (m/s)

Energia potencial gravitacional: é a energia que depende da altura de um corpo em relação à superfície em regiões que apresentam gravidade. Ela pode ser definida pela fórmula a seguir:

Legenda:
E_p = energia potencial gravitacional (J)
g = gravidade (m/s²)
h = altura (m)

Energia potencial elástica: é a energia relacionada à elasticidade dos corpos. Quando um corpo elástico é deformado, ele acumula energia elástica. Essa forma de energia pode ser calculada pela fórmula a seguir:

Legenda:
E_pel = energia potencial elástica
k = constante elástica da mola (N/m)
x = deformação da mola (m)

Conservação da energia mecânica:

Quando não há forças dissipativas, tais como a resistência do ar ou a força de atrito, dizemos que a energia mecânica total do sistema conserva-se, isto é, seu valor é mantido constante. Em forma de equação, podemos dizer que:

Legenda:
Em_i = Energia mecânica inicial (J)
Em_f = Energia mecânica final (J)
Ec_i = Energia cinética inicial (J)
Ec_f = Energia cinética final (J)
Ep_i = Energia potencial inicial (J)
Ep_f = Energia potencial final (J)

Estática

Todo corpo que se encontra em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme está em equilíbrio. Quando um corpo se move com velocidade constante, ele está em equilíbrio cinético; quando em repouso, ele está em equilíbrio estático.

Pedras em equilíbrio estático

A Estática estuda as condições para que um corpo esteja em equilíbrio. Existem três tipos de equilíbrio. Confira:

Equilíbrio indiferente: Quando a posição do objeto é alterada e mesmo assim ele permanece em equilíbrio, dizemos que ele está em uma condição de equilíbrio indiferente.

Equilíbrio estável: Se um corpo sempre voltar a sua posição de equilíbrio após ter saído dela, dizemos que ele está em equilíbrio estável. Confira a figura a seguir:

Equilíbrio instável: Se um objeto afasta-se de sua posição de equilíbrio e sempre tende a se afastar mais ainda, dizemos que ele se encontra em equilíbrio instável. Observe a figura:

Veja também: Centro de gravidade

Condições de equilíbrio:

Existem duas condições para que um corpo esteja em equilíbrio. A primeira diz respeito ao equilíbrio translacional: a força resultante sobre ele deve ser nula. A segunda diz respeito ao equilíbrio rotacional: a resultante dos torques (também chamados de momentos de uma força) deve ser nula. Confira o esquema a seguir:

Torque ou momento de uma força:

Chamamos de torque ou de momento de uma força a grandeza física vetorial que pode fazer os corpos rotacionar. Ele é definido pelo produto da força aplicada pela distância do ponto de aplicação da força (chamado de braço de alavanca) até o eixo de rotação do corpo (chamado de polo). A fórmula usada para calcular o torque é esta:

Legenda:
F = força aplicada (N)
d = distância até o eixo de rotação (m)
cos θ = ângulo entre a força e o braço de alavanca (°)

A figura a seguir apresenta uma balança de torção em duas situações: uma situação de equilíbrio, na qual a soma dos torques produzidos pelos pesos da esquerda e direita é nula, e uma situação na qual o torque produzido pelo peso da direita é maior que o da esquerda, por isso, a balança gira no sentido horário: